JP2006228632A - Piping structure of fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池スタックの配管構造に係り、特に冷却水中に混入したガスを滞留させることなく排出するように構成された燃料電池スタックの配管構造に関する。 The present invention relates to a fuel cell stack piping structure, and more particularly to a fuel cell stack piping structure configured to discharge gas mixed in cooling water without stagnation.
固体高分子電解質型燃料電池は、イオン交換膜からなる電解質膜と、この電解質膜の一方の面に配置された燃料極と、電解質膜のもう一方の面に配置された空気極とから構成された膜−電極アセンブリを備え、この膜−電極アセンブリの燃料極及び空気極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するための流路となるセパレータを設置することによって単位燃料電池セルを形成する。この単位燃料電池セルの発電電力は、1V以下と低いため通常は単位燃料電池セルを複数積層させることによって、燃料電池スタックを形成し、例えば車両などに搭載して利用されている。 A solid polymer electrolyte fuel cell is composed of an electrolyte membrane composed of an ion exchange membrane, a fuel electrode disposed on one surface of the electrolyte membrane, and an air electrode disposed on the other surface of the electrolyte membrane. A unit fuel cell is formed by installing a separator serving as a flow path for supplying fuel gas and oxidant gas to the fuel electrode and air electrode of the membrane-electrode assembly, respectively. Since the generated power of this unit fuel cell is as low as 1 V or less, usually, a plurality of unit fuel cells are stacked to form a fuel cell stack, which is used by being mounted on a vehicle, for example.
固体高分子電解質型燃料電池においては、燃料極側では水素が水素イオンと電子になる反応(H2 →2H+ +2e- )が起こり、空気極側では酸素と電解質膜を透過してくる水素イオンと外部回路を回ってきた電子とによって水を生成する反応(2H+ +2e- +(1/2)O2 →H2 O)が起きている。
In a solid polymer electrolyte fuel cell, a reaction (H2 → 2H + + 2e-) occurs in which hydrogen becomes hydrogen ions and electrons on the fuel electrode side, and oxygen and hydrogen ions that pass through the electrolyte membrane on the air electrode side. A reaction (2H + + 2e-+ (1/2)
これらの反応が正常に行われるためには、まず水素イオンが電解質膜中を空気極側に移動できるようにある程度加湿されている必要がある。また、空気極での反応で生成される水滴によって、酸化剤ガスの空気極への供給が阻害されないように、燃料電池スタック内のガス流路(特に酸化剤ガス流路)から生成水が適切に燃料電池外部に排出されるようにすることも必要である。さらに、空気極での反応による熱を効果的に冷却できるように燃料電池スタック内の冷却水流路に空気が滞流しないようにすることも必要である。 In order for these reactions to be performed normally, it is first necessary that the hydrogen ions be humidified to some extent so that they can move through the electrolyte membrane to the air electrode side. In addition, the water generated from the gas flow path (especially the oxidant gas flow path) in the fuel cell stack is appropriate so that the water droplets generated by the reaction at the air electrode do not hinder the supply of the oxidant gas to the air electrode. It is also necessary to discharge the fuel cell outside. Furthermore, it is also necessary to prevent air from flowing into the cooling water flow path in the fuel cell stack so that the heat generated by the reaction at the air electrode can be effectively cooled.
また、これらの各流体の圧力・温度等を計測して燃料電池へ流入するガスの状況を最適に制御し、これによって燃料電池の寿命向上や発電性能の向上を図るために、各燃料電池配管には各種センサ類を設置する必要がある。 In addition, each fuel cell piping is used to measure the pressure, temperature, etc. of each of these fluids to optimally control the state of the gas flowing into the fuel cell, thereby improving the life of the fuel cell and improving the power generation performance. It is necessary to install various sensors.
従来においては、例えば特開2002−343400号公報(特許文献1)に開示されているように、燃料電池スタックへの接続配管構造において、冷却水配管出口位置を燃料電池の貫通マニホールドより高い位置に設定して、冷却水配管内の空気抜け性を改善するようにしている。また、酸化剤ガス及び燃料ガスの配管出口位置を燃料電池の貫通マニホールドより低い位置に設定して、水抜け性を改善するようにしている。
しかしながら、上述した特許文献1に開示された従来例では、各流体の接続位置と燃料電池スタックの貫通マニホールドとの位置関係を規定しただけなので、例えば各セル内の内部流路の状況によっては、燃料電池セル内の冷却水流路に空気溜まりが発生し、空気抜け性が悪化して冷却性能が悪くなるという問題点があった。また、酸化剤ガス流路内では生成水が溜まり、排水性が悪化してフラッディングによる発電効率の低下が起こるという問題点もあった。 However, in the conventional example disclosed in Patent Document 1 described above, since only the positional relationship between the connection position of each fluid and the through manifold of the fuel cell stack is defined, for example, depending on the state of the internal flow path in each cell, There is a problem in that an air pool is generated in the cooling water flow path in the fuel battery cell, the air escape property is deteriorated, and the cooling performance is deteriorated. In addition, there is a problem that generated water is accumulated in the oxidant gas flow path, drainage performance is deteriorated, and power generation efficiency is reduced due to flooding.
また、燃料電池スタックが上下方向に複数積層されている場合については、燃料電池配管の接続位置について規定していないので、その接続位置によっては同様に冷却性能の低下や発電効率の低下などの不具合が起こる可能性があった。 In addition, when multiple fuel cell stacks are stacked in the vertical direction, the connection position of the fuel cell piping is not specified, so depending on the connection position, problems such as reduced cooling performance and reduced power generation efficiency may occur. Could happen.
さらに、各流体の燃料電池配管が上下に重なっているため、燃料電池スタックへ流入、あるいは燃料電池スタックから排出されるガスの温度・圧力等を測定する各種センサを燃料電池の出入口近傍に設置することが困難であった。このため、センサの設置位置から燃料電池までの配管構造によってはセンサ読取値と燃料電池出入り口での実際値との間に誤差が生じてしまい、燃料電池の寿命を短くしたり、燃料電池を効率よく発電できないという問題点があった。 Furthermore, since the fuel cell piping of each fluid overlaps vertically, various sensors that measure the temperature, pressure, etc. of the gas flowing into or out of the fuel cell stack are installed in the vicinity of the fuel cell inlet / outlet. It was difficult. For this reason, depending on the piping structure from the sensor installation position to the fuel cell, an error may occur between the sensor reading and the actual value at the fuel cell inlet / outlet, shortening the life of the fuel cell or making the fuel cell more efficient There was a problem that it could not generate electricity well.
上述した課題を解決するために、本発明に係わる燃料電池スタックの配管構造は、燃料電池スタックに流体を供給する燃料電池スタックの配管構造において、燃料電池スタックから冷却水を排出する冷却水出口配管と前記燃料電池スタックとの冷却水出口接続部は、前記燃料電池スタック内の冷却水流路よりも高い位置に設置されていることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a fuel cell stack piping structure according to the present invention includes a fuel cell stack piping structure that supplies fluid to the fuel cell stack, and a cooling water outlet pipe that discharges cooling water from the fuel cell stack. The cooling water outlet connection between the fuel cell stack and the fuel cell stack is installed at a position higher than the cooling water flow path in the fuel cell stack.
本発明に係る燃料電池スタックの配管構造では、燃料電池スタックから冷却水を排出する冷却水出口配管と燃料電池スタックとを接続する冷却水出口接続部を、燃料電池スタック内の冷却水流路よりも高い位置に設置したので、燃料電池スタックから排出される冷却水の流れを常に上昇していく流れにすることができる。これによって、冷却水に混入したガスを滞留させることなく、燃料電池外部に排出することができるので、冷却水の冷却性能が向上し、燃料電池スタックの発電性能及び寿命を向上させることができる。 In the fuel cell stack piping structure according to the present invention, the cooling water outlet pipe for discharging the cooling water from the fuel cell stack and the cooling water outlet connecting portion for connecting the fuel cell stack are arranged more than the cooling water flow path in the fuel cell stack. Since it is installed at a high position, the flow of the cooling water discharged from the fuel cell stack can be constantly increased. Accordingly, the gas mixed in the cooling water can be discharged outside the fuel cell without stagnation, so that the cooling performance of the cooling water can be improved and the power generation performance and life of the fuel cell stack can be improved.
以下、本発明に係わる燃料電池スタックの配管構造を実施するための最良の形態となる実施例について説明する。 Hereinafter, an embodiment that is the best mode for carrying out the piping structure of the fuel cell stack according to the present invention will be described.
図1は、本実施例に係る燃料電池スタックの配管構造の構成を示す斜視図である。 FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of the piping structure of the fuel cell stack according to the present embodiment.
図1に示すように、本実施例の燃料電池スタックの配管構造1は、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応により反応させて発電する燃料電池スタック2と、燃料電池スタック2に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス入口配管3と、燃料電池スタック2に冷却水を供給する冷却水入口配管4と、燃料電池スタック2から燃料ガスを排出する燃料ガス出口配管5と、燃料電池スタック2から冷却水を排出する冷却水出口配管6と、燃料電池スタック2に燃料ガスを供給する燃料ガス入口配管7と、燃料電池スタック2から酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口配管8と、各配管を燃料電池スタック2に接続する燃料電池マニホールド9と、各配管に設置された各種センサ13〜18とを備えている。
As shown in FIG. 1, the fuel cell stack piping structure 1 of this embodiment includes a
ここで、燃料電池スタック2は、単位燃料電池セルが水平方向に複数積層されることによって構成されており、各単位燃料電池セルのアノードには燃料ガスである水素ガスが供給され、カソードには酸化剤ガスである空気が供給されてアノードとカソード間に挟持された電解質膜における電極反応によって発電している。また、各単位燃料電池セルには冷却水流路が設けられ、電気化学反応によって発熱した単位燃料電池セルを冷却している。
Here, the
酸化剤ガス入口配管3は、燃料電池マニホールド9の上段に接続されて燃料電池スタック2に酸化剤ガスを供給している。
The oxidant
冷却水入口配管4は、燃料電池マニホールド9の中段に接続され、酸化剤ガス入口配管3と上下に重ならないようにずれて配置され、燃料電池スタック2に冷却水を供給している。
The cooling water inlet pipe 4 is connected to the middle stage of the
燃料ガス出口配管5は、燃料電池マニホールド9の下段に接続され、酸化剤ガス入口配管3及び冷却水入口配管4と上下に重ならないようにずれて配置され、燃料電池スタック2から燃料ガスを排出している。
The fuel gas outlet pipe 5 is connected to the lower stage of the
冷却水出口配管6は、燃料電池マニホールド9の上段に接続されて燃料電池スタック2から冷却水を排出している。
The cooling
燃料ガス入口配管7は、燃料電池マニホールド9の中段に接続され、隣接する冷却水出口配管6と上下に重ならないようにずれて配置され、燃料電池スタック2へ燃料ガスを供給している。
The fuel gas inlet pipe 7 is connected to the middle stage of the
酸化剤ガス出口配管8は、燃料電池マニホールド9の下段に接続され、隣接する燃料ガス入口配管7、および冷却水出口配管6と上下に重ならないようにずれて配置され、燃料電池スタック2から酸化剤ガスを排出している。
The oxidant
燃料電池マニホールド9は、燃料ガスや酸化剤ガス、冷却水の各配管が接続され、燃料電池スタック2に各流体を供給し、また排出している。
The
各センサ13〜18は、配管内を流れる流体の圧力や温度などを検出するための検出手段であり、各配管の上部に設置されて検知部は下向きになっている。これにより、検知部に水が溜まることを防止して、低温環境下に放置された場合の凍結やガス圧力の制御不良などを防止することができる。また、燃料電池システムが車両の床下に設置される場合には、燃料電池スタック2から排出される燃料ガス及び酸化剤ガス配管の補機類側接続位置を常に外部マニホールド側が低い位置に設定すると、燃料電池接続配管内の水の滞留がなくなり、低温環境などで凍結による配管破損を防ぐことや、燃料電池の起動時間の短縮が可能になる。このとき、燃料電池外部マニホールド出口部分に溜まる水分は、例えば、当該部に燃料ガス及び酸化剤ガス排出手段を設置して排出ガスに混ぜて排出したりできるので、当該部に水が溜まることによる燃料電池の発電への悪影響を防ぐことができる。なお、仮に車両前部のコンパートメント部空間において同様の設置方法を採っても同等の効果を狙うことは無論可能である。
Each sensor 13-18 is a detection means for detecting the pressure, temperature, etc. of the fluid which flows in the piping, and is installed in the upper part of each piping, and the detection part is facing downward. Thereby, it is possible to prevent water from collecting in the detection unit, and to prevent freezing or poor control of the gas pressure when left in a low temperature environment. Further, when the fuel cell system is installed under the floor of the vehicle, if the auxiliary equipment side connection position of the fuel gas and oxidant gas piping discharged from the
次に、上述したように構成された本実施例の燃料電池スタックの配管構造1における各流体の流れ方を説明する。ただし、燃料電池スタック内に示す矢印は、複数ある流路の一つを模式的に表したものである。 Next, how each fluid flows in the piping structure 1 of the fuel cell stack of the present embodiment configured as described above will be described. However, the arrow shown in the fuel cell stack schematically represents one of a plurality of flow paths.
まず、図2及び図3に基づいて冷却水の流れ方を説明する。図2は燃料電池スタック2における冷却水の流れを模式的に説明するための図である。冷却水入口配管4(図1)から供給された冷却水は、図2に示すように、燃料電池マニホールド9の中段に設置された冷却水入口接続部21から燃料電池マニホールド9に流入して冷却水入口流路22へ送られる。そして、冷却水入口流路22からは各単位燃料電池セルへ冷却水が供給され、単位燃料電池セル内の冷却水流路を通過して単位燃料電池セルを冷却し、冷却水出口流路23へと冷却水が排出される。
First, the flow of cooling water will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a diagram for schematically explaining the flow of cooling water in the
ここで、燃料電池セル内の冷却水の流れを図3に基づいて説明する。図3に示すように、中段に設置された冷却水入口流路22から供給された冷却水は、燃料電池セル31内の上下に複数設置された冷却水流路32を流れて、上段に設置された冷却水出口流路23へと排出される。
Here, the flow of the cooling water in the fuel cell will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 3, the cooling water supplied from the cooling
ここで、図3に示すように、冷却水出口流路23は燃料電池セル内の冷却水流路32よりも高い位置に設置されている。したがって、冷却水の流れは燃料電池セル内の冷却水流路32から冷却水出口流路23へと上昇していく流れになり、冷却水流路32に混入したガス(おもに空気)を冷却水出口流路23へと排出することができる。
Here, as shown in FIG. 3, the
さらに、図2に示すように、冷却水出口流路23に排出された冷却水は、燃料電池マニホールド9に送られて冷却水出口接続部24から冷却水出口配管6へと排出される。
Further, as shown in FIG. 2, the cooling water discharged to the cooling
このとき冷却水出口接続部24は上段に設置されているので、冷却水出口流路23よりも高い位置になっている。したがって、冷却水の流れは冷却水出口流路23から冷却水出口接続部24へと上昇していく流れになり、冷却水流路32に混入したガスを冷却水出口配管6へと排出することができる。
At this time, since the cooling water
次に、図4及び図5に基づいて酸化剤ガスの流れ方を説明する。図4は燃料電池スタック2における酸化剤ガスの流れを模式的に説明するための図である。酸化剤ガス入口配管3(図1)から供給された酸化剤ガスは、図4に示すように、燃料電池マニホールド9の上段に設置された酸化剤ガス入口接続部41から燃料電池マニホールド9に流入して酸化剤ガス入口流路42へ送られる。そして、酸化剤ガス入口流路42からは各単位燃料電池セルへ酸化剤ガスが供給され、単位燃料電池セル内の酸化剤ガス流路を通過してカソードに供給される。カソードでは供給された酸素と、電解質膜を透過してくる水素イオンと、外部回路を回ってきた電子とによって水を生成する反応(2H+ +2e- +(1/2)O2 →H2 O)が行われる。そして、消費されずに残った酸化剤ガスや反応によって生成した水蒸気は酸化剤ガス出口流路43へと排出される。
Next, how the oxidant gas flows will be described with reference to FIGS. 4 and 5. FIG. 4 is a diagram for schematically explaining the flow of the oxidant gas in the
ここで、燃料電池セル内の酸化剤ガスの流れを図5に基づいて説明する。図5に示すように、上段に設置された酸化剤ガス入口流路42から供給された酸化剤ガスは、燃料電池セル51内の上下に複数設置された酸化剤ガス流路52を流れて、下段に設置された酸化剤ガス出口流路43へと排出される。
Here, the flow of the oxidant gas in the fuel cell will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 5, the oxidant gas supplied from the oxidant gas inlet channel 42 installed in the upper stage flows through the
ここで、図5に示すように、酸化剤ガス出口流路43は燃料電池セル内の酸化剤ガス流路52よりも低い位置に設置されている。したがって、酸化剤ガスの流れは燃料電池セル内の酸化剤ガス流路52から酸化剤ガス出口流路43へと下降していく流れになり、酸化剤ガス流路52に含まれる生成水などの水滴を酸化剤ガス出口流路43へと排出することができる。
Here, as shown in FIG. 5, the oxidant
さらに、図4に示すように、酸化剤ガス出口流路43に排出された水滴は、燃料電池マニホールド9に送られて酸化剤ガス出口接続部44から酸化剤ガス出口配管8へと排出される。
Further, as shown in FIG. 4, the water droplets discharged to the oxidant
このとき酸化剤ガス出口接続部44は下段に設置されているので、酸化剤ガス出口流路43よりも低い位置になっている。したがって、酸化剤ガスの流れは酸化剤ガス出口流路43から酸化剤ガス出口接続部44へと下降していく流れになり、酸化剤ガス流路52に含まれる生成水などの水滴を酸化剤ガス出口配管8へと排出することができる。これによって、フラッディング(流路の水溜まり)による燃料電池の発電不良を防止することができる。
At this time, since the oxidant gas
次に、図6及び図7に基づいて燃料ガスの流れ方を説明する。図6は燃料電池スタック2における燃料ガスの流れを模式的に説明するための図である。燃料ガス入口配管7(図1)から供給された燃料ガスは、図6に示すように、燃料電池マニホールド9の中段に設置された燃料ガス入口接続部61から燃料電池マニホールド9に流入して燃料ガス入口流路62へ送られる。そして、燃料ガス入口流路62からは各単位燃料電池セルへ燃料ガスが供給され、単位燃料電池セル内の燃料ガス流路を通過してアノードに供給される。アノードでは供給された水素ガスが水素イオンと電子になる反応(H2 →2H+ +2e- )が行われ、消費されずに残った燃料ガスは燃料ガス出口流路63へと排出される。
Next, the flow of the fuel gas will be described with reference to FIGS. FIG. 6 is a diagram for schematically explaining the flow of the fuel gas in the
ここで、燃料電池セル内の燃料ガスの流れを図7に基づいて説明する。図7に示すように、中段に設置された燃料ガス入口流路62から供給された燃料ガスは、燃料電池セル71内の上下に複数設置された燃料ガス流路72を流れて、下段に設置された燃料ガス出口流路63へと排出される。
Here, the flow of the fuel gas in the fuel cell will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 7, the fuel gas supplied from the fuel
ここで、図7に示すように、燃料ガス出口流路63は燃料電池セル内の燃料ガス流路72よりも低い位置に設置されている。したがって、燃料ガスの流れは燃料電池セル内の燃料ガス流路72から燃料ガス出口流路63へと下降していく流れになり、燃料ガス流路72に含まれる水滴を燃料ガス出口流路63へと排出することができる。
Here, as shown in FIG. 7, the fuel
さらに、図6に示すように、燃料ガス出口流路63に排出された水滴は、燃料電池マニホールド9に送られて燃料ガス出口接続部64から燃料ガス出口配管5へと排出される。
Furthermore, as shown in FIG. 6, the water droplets discharged to the fuel
このとき燃料ガス出口接続部64は下段に設置されているので、燃料ガス出口流路63よりも低い位置になっている。したがって、燃料ガスの流れは燃料ガス出口流路63から燃料ガス出口接続部64へと下降していく流れになり、燃料ガス流路72に含まれる水滴を燃料ガス出口配管5へと排出することができる。これによって、フラッディングによる燃料電池の発電不良を防止することができる。
At this time, since the fuel gas
このように、本実施例の燃料電池スタックの配管構造1では、燃料電池スタックから冷却水を排出する冷却水出口配管6と燃料電池スタック2とを接続する冷却水出口接続部24が、燃料電池スタック2内の冷却水流路よりも高い位置に設置されているので、燃料電池スタックから排出される冷却水の流れを常に上昇していく流れにすることができる。これによって、冷却水流路32内に混入したガスを滞留させることなく、燃料電池外部に排出することができるので、冷却水の冷却性能が向上し、燃料電池スタックの発電性能及び寿命を向上させることができる(請求項1の効果)。
Thus, in the fuel cell stack piping structure 1 of the present embodiment, the cooling water
また、本実施例の燃料電池スタックの配管構造1では、燃料電池スタック2から燃料ガスを排出する燃料ガス出口配管5と燃料電池スタック2とを接続する燃料ガス出口接続部64が、燃料電池スタック2内の燃料ガス流路よりも低い位置に設置されているので、燃料電池スタック2から排出される燃料ガスの流れを常に下降していく流れにすることができる。これによって、燃料ガス流路72に含まれる水滴を滞留させることなく、燃料電池外部に排出することができる(請求項3の効果)。
Further, in the fuel cell stack piping structure 1 of the present embodiment, the fuel gas
さらに、本実施例の燃料電池スタックの配管構造1では、燃料電池スタック2から酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口配管8と燃料電池スタック2とを接続する酸化剤ガス出口接続部44が、燃料電池スタック2内の酸化剤ガス流路よりも低い位置に設置されているので、燃料電池スタック2から排出される酸化剤ガスの流れを常に下降していく流れにすることができる。これによって、酸化剤ガス流路52に含まれる生成水などの水滴を滞留させることなく、燃料電池外部に排出することができ、これによって、フラッディングによる燃料電池の発電不良を防止することができる(請求項4の効果)。
Furthermore, in the fuel cell stack piping structure 1 of the present embodiment, the oxidant gas outlet pipe for connecting the oxidant
また、本実施例の燃料電池スタックの配管構造1では、冷却水出口配管6と酸化剤ガス出口配管8を燃料電池スタック2の同一側に配置しているので、最もフラッディングが起こりやすいカソードの出口付近を通過する冷却水温度を高くすることができ、フラッディングの原因となる生成水の凝縮を防止することができる。また、燃料電池セル内を水平方向に各流体が流れる場合においては、左右両端にあるスタック出入口マニホールドと燃料電池外部マニホールドとの距離を短縮できるので、軽量化やコストを削減することができる(請求項6の効果)。
Further, in the fuel cell stack piping structure 1 of the present embodiment, the cooling
さらに、本実施例の燃料電池スタックの配管構造1では、燃料電池スタック2に接続される配管がそれぞれ上下で重ならないように配置されているので、各配管の上部にセンサ13〜18を設置するためのスペースを確保することができる。 また、隣接する配管同士が上下に重ならないように配置されているので、燃料電池ケースへの配管フランジ接続作業やホース組み付け作業などを行う場合に工具スペースやハンドスペースを確保でき、組み付け作業時間を短縮することができる(請求項7の効果)。
Furthermore, in the fuel cell stack piping structure 1 of the present embodiment, the pipes connected to the
さらに、本実施例の燃料電池スタックの配管構造1では、燃料電池スタック2に接続される配管の接続部近傍にセンサを設置しているので、センサを補機類側に設置した場合と比較して、センサ設置部以降の配管レイアウトの変動による圧損影響などを少なくでき、センサ読取値と燃料電池へ導入される際の実際値との間で誤差が生じる可能性を減らすことができるため、センサ読取値により燃料電池スタック2内部のガス状況を的確に制御できるようになり、また燃料電池スタックの寿命や発電性能を向上させることができる。さらに、センサの検知部を下向きにしたので、検知部に水が溜まることを防止することができ、低温環境下に放置した場合の凍結防止や、さらには燃料電池スタックにおける発電のためのガス圧制御不良を防止することができる(請求項8の効果)。
Further, in the fuel cell stack piping structure 1 of the present embodiment, since the sensor is installed near the connecting portion of the pipe connected to the
図8は、実施例2に係る燃料電池スタックの配管構造の構成を示す斜視図である。図8に示すように、本実施例の燃料電池スタックの配管構造81は、複数の燃料電池スタック82a〜82cが上下方向に積層されていることが実施例1と異なっており、その他の構成は実施例1と同様なので詳しい説明は省略する。
FIG. 8 is a perspective view illustrating the configuration of the piping structure of the fuel cell stack according to the second embodiment. As shown in FIG. 8, the fuel cell
次に、上述のように構成された本実施例の燃料電池スタックの配管構造81における各流体の流れ方を説明する。
Next, how each fluid flows in the
まず、図9及び図10に基づいて冷却水の流れ方を説明する。図9は各燃料電池スタック82a〜82cにおける冷却水の流れを模式的に説明するための図である。冷却水入口配管4(図8)から供給された冷却水は、図9に示すように、燃料電池マニホールド90の中段に設置された冷却水入口接続部91から燃料電池マニホールド90へ流入し、そこから各燃料電池スタック82a〜82cの冷却水入口流路92a〜92cへ送られる。そして、冷却水入口流路92a〜92cからは各燃料電池スタック82a〜82cの単位燃料電池セルへ冷却水が供給され、単位燃料電池セル内の冷却水流路を通過して単位燃料電池セルを冷却し、冷却水出口流路93a〜93cへと冷却水を排出する。
First, the flow of cooling water will be described with reference to FIGS. FIG. 9 is a diagram for schematically explaining the flow of cooling water in each of the
ここで、各燃料電池スタック82a〜82cの燃料電池セル内の冷却水の流れを図10に基づいて説明する。図10に示すように、各燃料電池スタックの中段に設置された冷却水入口流路92a〜92cから供給された冷却水は、燃料電池セル101a〜101c内の上下に複数設置された冷却水流路102a〜102cを流れて、各燃料電池スタックの上段に設置された冷却水出口流路93a〜93cへと排出される。
Here, the flow of the cooling water in the fuel cells of the
ここで、図10に示すように、冷却水出口流路93a〜93cは各燃料電池セル内において燃料電池セル内の冷却水流路102a〜102cよりも高い位置に設置されている。したがって、冷却水の流れは燃料電池セル内の冷却水流路102a〜102cから冷却水出口流路93a〜93cへと上昇していく流れになり、冷却水流路102a〜102cに混入したガスを冷却水出口流路93a〜93cへと排出することができる。
Here, as shown in FIG. 10, the
さらに、図9に示すように、冷却水出口流路93a〜93cに排出された冷却水は、燃料電池マニホールド9に送られて冷却水出口接続部94から冷却水出口配管6へと排出される。
Furthermore, as shown in FIG. 9, the cooling water discharged to the cooling
このとき冷却水出口接続部94は上段に設置されているので、最上部に設置された燃料電池スタック82aの冷却水出口流路93aよりも高い位置になっている。したがって、冷却水の流れは冷却水出口流路93a〜93cから冷却水出口接続部94へと上昇していく流れになり、冷却水流路102a〜102cに混入したガスを冷却水出口配管6へと排出することができる。
At this time, since the coolant
次に、図11及び図12に基づいて酸化剤ガスの流れ方を説明する。図11は燃料電池スタック82a〜82cにおける酸化剤ガスの流れを模式的に説明するための図である。酸化剤ガス入口配管3(図8)から供給された酸化剤ガスは、図11に示すように、燃料電池マニホールド9の上段に設置された酸化剤ガス入口接続部111から燃料電池マニホールド9に流入し、そこから各燃料電池スタック82a〜82cの酸化剤ガス入口流路112a〜112cへ送られる。そして、酸化剤ガス入口流路112a〜112cからは各燃料電池スタック82a〜82cの単位燃料電池セルへ酸化剤ガスが供給され、単位燃料電池セル内の酸化剤ガス流路を通過してカソードに酸化剤ガスが供給される。カソードでは供給された酸素と、電解質膜を透過してくる水素イオンと、外部回路を回ってきた電子とによって水を生成する反応(2H+ +2e- +(1/2)O2 →H2 O)が行われる。そして、消費されずに残った酸化剤ガスや反応によって生成した水蒸気は酸化剤ガス出口流路113a〜113cへと排出される。
Next, the flow of the oxidant gas will be described with reference to FIGS. FIG. 11 is a diagram for schematically explaining the flow of the oxidant gas in the
ここで、各燃料電池スタック82a〜82cの燃料電池セル内の酸化剤ガスの流れを図12に基づいて説明する。図12に示すように、各燃料電池スタックの上段に設置された酸化剤ガス入口流路112a〜112cから供給された酸化剤ガスは、燃料電池セル121a〜121c内の上下に複数設置された酸化剤ガス流路122a〜122cを流れて、各燃料電池スタックの下段に設置された酸化剤ガス出口流路113a〜113cへと排出される。
Here, the flow of the oxidant gas in the fuel cells of the
ここで、図12に示すように、酸化剤ガス出口流路113a〜113cは各燃料電池セル内において燃料電池セル内の酸化剤ガス流路122a〜122cよりも低い位置に設置されている。したがって、酸化剤ガスの流れは燃料電池セル内の酸化剤ガス流路122a〜122cから酸化剤ガス出口流路113a〜113cへと下降していく流れになり、酸化剤ガス流路122a〜122cに含まれる生成水などの水滴を酸化剤ガス出口流路113a〜113cへと排出することができる。
Here, as shown in FIG. 12, the oxidant
さらに、図11に示すように、酸化剤ガス出口流路113a〜113cに排出された水滴は、燃料電池マニホールド9に送られて酸化剤ガス出口接続部114から酸化剤ガス出口配管8へと排出される。
Further, as shown in FIG. 11, the water droplets discharged to the oxidant
このとき酸化剤ガス出口接続部114は下段に設置されているので、最下部の燃料電池スタック82cの酸化剤ガス出口流路113cよりも低い位置になっている。したがって、酸化剤ガスの流れは酸化剤ガス出口流路113a〜113cから酸化剤ガス出口接続部114へと下降していく流れになり、酸化剤ガス流路122a〜122cに含まれる生成水などの水滴を酸化剤ガス出口配管8へと排出することができる。これによって、フラッディングによる燃料電池の発電不良を防止することができる。
At this time, since the oxidant gas
次に、図13及び図14に基づいて燃料ガスの流れ方を説明する。図13は燃料電池スタック82a〜82cにおける燃料ガスの流れを模式的に説明するための図である。燃料ガス入口配管7(図8)から供給された燃料ガスは、図13に示すように、燃料電池マニホールド9の中段に設置された燃料ガス入口接続部131から燃料電池マニホールド9に流入し、そこから各燃料電池スタック82a〜82cの燃料ガス入口流路132a〜132cへ送られる。そして、燃料ガス入口流路132a〜132cからは各燃料電池スタック82a〜82cの単位燃料電池セルへ燃料ガスが供給され、単位燃料電池セル内の燃料ガス流路を通過してアノードに供給される。アノードでは供給された水素ガスが水素イオンと電子になる反応(H2 →2H+ +2e- )が行われ、消費されずに残った燃料ガスは燃料ガス出口流路133a〜133cへと排出される。
Next, how the fuel gas flows will be described with reference to FIGS. 13 and 14. FIG. 13 is a diagram for schematically explaining the flow of fuel gas in the
ここで、燃料電池セル内の燃料ガスの流れを図14に基づいて説明する。図14に示すように、各燃料電池スタックの中段に設置された燃料ガス入口流路132a〜132cから供給された燃料ガスは、各燃料電池セル141a〜141c内の上下に複数設置された燃料ガス流路142a〜142cを流れて、各燃料電池スタックの下段に設置された燃料ガス出口流路133a〜133cへと排出される。
Here, the flow of the fuel gas in the fuel cell will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 14, the fuel gas supplied from the fuel
ここで、図14に示すように、燃料ガス出口流路133a〜133cは各燃料電池セル内において燃料電池セル内の燃料ガス流路142a〜142cよりも低い位置に設置されている。したがって、燃料ガスの流れは燃料電池セル内の燃料ガス流路142a〜142cから燃料ガス出口流路133a〜133cへと下降していく流れになり、燃料ガス流路142a〜142cに含まれる水滴を燃料ガス出口流路133a〜133cへと排出することができる。
Here, as shown in FIG. 14, the fuel
さらに、図13に示すように、燃料ガス出口流路133a〜133cに排出された水滴は、燃料電池マニホールド9に送られて燃料ガス出口接続部134から燃料ガス出口配管5へと排出される。
Furthermore, as shown in FIG. 13, the water droplets discharged to the fuel
このとき燃料ガス出口接続部134は下段に設置されているので、最下部の燃料電池スタック82cの燃料ガス出口流路133cよりも低い位置になっている。したがって、燃料ガスの流れは燃料ガス出口流路133a〜133cから燃料ガス出口接続部134へと下降していく流れになり、燃料ガスに含まれる水滴を燃料ガス出口配管5へと排出することができる。これによって、フラッディングによる燃料電池の発電不良を防止することができる。
At this time, since the fuel gas
このように、本実施例の燃料電池スタックの配管構造81では、燃料電池スタックが上下に複数積層されている場合に、冷却水出口接続部94が最上部の燃料電池スタック82a内の冷却水流路よりも高い位置に設置されているので、各燃料電池スタック82a〜82cから排出される冷却水の流れを常に上昇していく流れにすることができる。これによって、冷却水流路122a〜122cに混入したガスを滞留させることなく、燃料電池外部に排出することができるので、冷却水の冷却性能が向上し、燃料電池スタックの発電性能及び寿命を向上させることができる(請求項2の効果)。
Thus, in the fuel cell
また、本実施例の燃料電池スタックの配管構造81では、燃料電池スタックが上下に複数積層されている場合に、酸化剤ガス出口接続部114あるいは燃料ガス出口接続部134が最下部の燃料電池スタック82c内の冷却水流路よりも低い位置に設置されているので、各燃料電池スタック82a〜82cから排出される酸化剤ガス及び燃料ガスの流れを常に下降していく流れにすることができる。 これによって、酸化剤ガス流路122a〜122c及び燃料ガス流路142a〜142cに含まれる生成水などの水滴を滞留させることなく、燃料電池外部に排出することができ、これによって、フラッディングによる燃料電池の発電不良を防止することができる(請求項5の効果)。
Further, in the fuel cell
なお、上記実施例1および実施例2では、燃料電池スタック2に接続する各配管が上下に重ならない配置として、図1や図8に示すように燃料電池スタック2の正面から見て各接続部が逆ハの字形となるようにした例について示したが、図15に示す燃料電池スタックの配管構造151のように、一つおきに上下に重なるような配置としてもよいし、またハの字形となるように配置してもよく、これらの配置とした場合についても、同等の効果を得ることができる。
In the first and second embodiments, the pipes connected to the
1、81、151…配管構造
2、82a〜82c…燃料電池スタック
3…酸化剤ガス入口配管
4…冷却水入口配管
5…燃料ガス出口配管
6…冷却水出口配管
7…燃料ガス入口配管
8…酸化剤ガス出口配管
9、90…燃料電池マニホールド
13〜18…センサ
21、91…冷却水入口接続部
22、92a〜92c…冷却水入口流路
23、93a〜93c…冷却水出口流路
24、94…冷却水出口接続部
31、51、71、101a〜101c、121a〜121c、141a〜141c…燃料電池セル
32、102a〜102c、122a〜122c…冷却水流路
41、111…酸化剤ガス入口接続部
42、112a〜112c…酸化剤ガス入口流路
43、113a〜113c…酸化剤ガス出口流路
44、114…酸化剤ガス出口接続部
52、122a〜122c…酸化剤ガス流路
61、131…燃料ガス入口接続部
62、132a〜132c…燃料ガス入口流路
63、133a〜133c…燃料ガス出口流路
64、134…燃料ガス出口接続部
72、142a〜142c…燃料ガス流路
DESCRIPTION OF
Claims (8)
燃料電池スタックから冷却水を排出する冷却水出口配管と前記燃料電池スタックとの冷却水出口接続部は、前記燃料電池スタック内の冷却水流路よりも高い位置に設置されていることを特徴とする燃料電池スタックの配管構造。 In the fuel cell stack piping structure for supplying fluid to the fuel cell stack,
The cooling water outlet pipe for discharging the cooling water from the fuel cell stack and the cooling water outlet connecting portion between the fuel cell stack are installed at a position higher than the cooling water flow path in the fuel cell stack. Piping structure of fuel cell stack.
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